金屬氧化物半導體場效應電晶體射頻開關器件的製作方法

2023-05-02 13:17:21 1

金屬氧化物半導體場效應電晶體射頻開關器件的製作方法
【專利摘要】本實用新型公開一種金屬氧化物半導體場效應電晶體射頻開關器件，由GaAs襯底層、AlGaAs緩衝層、InGaAs導電溝道層、InGaP勢壘層、GaAs帽層、InGaAs帽層自下而上依次設置形成金屬氧化物半導體場效應電晶體；漏端和源端設置在InGaAs帽層的上方；位於頂部的GaAs帽層和InGaAs帽層內開設有柵槽，柵端嵌設在該柵槽內；柵介質Al2O3填充在柵槽內，並與InGaP勢壘層接觸。上述柵端接入一薄膜電阻後，作為射頻開關器件的控制端；源端和漏端中的一個作為射頻開關器件的發射端，另一個作為射頻開關器件的接收端。本實用新型具有隔離度高、功率容量大、插入損耗低和易於實現的特點。
【專利說明】
【技術領域】
[0001] 本實用新型涉及射頻開關器件領域，具體涉及一種金屬氧化物半導體場效應晶體 管（M0SFET)射頻開關器件。 金屬氧化物半導體場效應電晶體射頻開關器件

【背景技術】
[0002] 射頻開關是眾多無線通信系統中非常重要的元件。目前主要有PIN二極體、微電 子機械系統（MEMS)技術、CMOS射頻開關以及GaAs PHEMT分立元件技術等幾種RF收/發 開關的技術。由於PIN二極體開關技術需要較大的偏置電流，並且開關速度較低，因此在移 動通信設備中應用較少。MEMS融合了微電子與精密機械製作技術，雖然擁有插入損耗低，易 於與1C兼容等特點，但是存在開關時間過長，速度慢，驅動電壓高，功率容量小，價格昂貴 且MEMS開關的使用壽命較短等缺點。傳統的CMOS技術雖然成本較低易於CMOS工藝集成， 但是插入損耗較高，尤其當開關數較多時不容易滿足指標。而基於GaAsPHEMT技術的開關 電路在控制電路中工作於無源狀態，沒有直流功耗，由柵級和源級的相對電位決定其導通 和關斷，相比傳統的微波PIN二極體開關電路具有較低的功耗，同時與標準CMOS開關電路 相比具有較低的插入損耗，因此在射頻開關應用開發上具有明顯的優勢。
[0003] 然而，傳統的GaAs pHEMT都是以肖特基接觸作為柵電極，而肖特基接觸容易引起 較大的柵漏電流，使器件工作的動態範圍減小，限制了 GaAs pHEMT器件在大功率條件下的 開關應用。 實用新型內容
[0004] 本實用新型所要解決的技術問題是提供一種金屬氧化物半導體場效應電晶體射 頻開關器件，其具有隔離度高、功率容量大、插入損耗低和易於實現的特點。
[0005] 為解決上述問題，本實用新型是通過以下技術方案實現的：
[0006] -種金屬氧化物半導體場效應電晶體射頻開關器件，所述射頻開關器件由金屬氧 化物半導體場效應電晶體構成。上述金屬氧化物半導體場效應電晶體包括GaAs襯底層、 AlGaAs緩衝層、InGaAs導電溝道層、InGaP勢壘層、GaAs帽層、InGaAs帽層、A1203介質、柵 端、漏端和源端；其中GaAs襯底層、AlGaAs緩衝層、InGaAs導電溝道層、InGaP勢魚層、GaAs 帽層、InGaAs帽層自下而上依次設置；漏端和源端設置在InGaAs帽層的上方；位於頂部的 GaAs帽層和InGaAs帽層內開設有柵槽，柵端嵌設在該柵槽內；A1203介質填充在柵槽內，並 作為柵介質與InGaP勢壘層接觸。上述金屬氧化物半導體場效應電晶體的柵端接入一薄膜 電阻後，作為射頻開關器件的控制端；金屬氧化物半導體場效應電晶體的源端和漏端中的 一個作為射頻開關器件的發射端，另一個作為射頻開關器件的接收端。
[0007] 上述方案中，所述InGaAs導電溝道層和InGaP勢壘層之間設有Si摻雜層。
[0008] 上述方案中，所述柵端呈T型。
[0009] 上述方案中，所述薄膜電阻的阻值範圍為5ΚΩ?10ΚΩ。
[0010] 與現有技術相比，本實用新型在傳統pHEMT材料結構基礎上，採用A120 3高K介質 作為柵介質來降低漏電。由於GaAs MOSFET具有非常低的柵漏電，比GaAs pHEMT具有更大 的跨導、電流密度和擊穿電壓等特點，因此本實用新型採用GaAs M0SFET設計的射頻開關擁 有比同等條件下的採用GaAs pHEMT設計的射頻開關而言，具有更低的漏電和插入損耗，更 高的電流密度、跨導、功率容量和隔離度。此外，本實用新型易於與GaAs HEMT工藝集成，並 且具有工藝簡單、易於實現的特點。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0011] 圖1是一種MOSFET射頻開關器件結構。
[0012] 圖2是一種MOSFET射頻開關器件的顯微鏡圖。
[0013] 圖3是一種MOSFET射頻開關器件的對應等效原理圖。
[0014] 圖4是一種MOSFET射頻開關器件的轉移特性曲線測試圖。
[0015] 圖5是一種MOSFET射頻開關器件的漏電測試圖。
[0016] 圖6是一種MOSFET射頻開關器件的閾值電壓測試圖。
[0017] 圖7是一種MOSFET射頻開關器件的插入損耗和隔離度測試圖。

【具體實施方式】
[0018] 一種金屬氧化物半導體場效應電晶體射頻開關器件，如圖1所示，所述金屬氧化 物半導體場效應電晶體自上而下依次包括l〇nm InGaAs帽層、5nmGaAs帽層，5nm InGaP勢 魚層，7nm InGaAs導電溝道，300nm AlGaAs緩衝層以及GaAs襯底層。所述InGaAs導電溝 道與AlGaAs緩衝層之間採用Si摻雜，金屬氧化物半導體場效應電晶體由分子束外延（MBE) 設備外延生長。位於金屬氧化物半導體場效應電晶體頂部InGaAs帽層和GaAs帽層的中部 開柵槽，澱積l〇nm A1203作為柵介質與InGaP勢壘層接觸，採用T型柵端與A120 3接觸，形 成金屬氧化物半導體場效應電晶體。如圖2和3所示，所述金屬氧化物半導體場效應晶體 管的源漏端作為射頻開光器件的射頻信號的發射端或者接收端；所述金屬氧化物半導體場 效應電晶體柵端接大電阻作為射頻開關開關器件的控制端，用於控制器件開啟與關斷的狀 態。所述柵端大電阻為薄膜電阻，其阻值範圍為5ΚΩ?10ΚΩ。上述射頻開關器件在開啟 狀態下等效為小電阻，在關斷狀態下則等效為大電容。
[0019] 上述一種金屬氧化物半導體場效應電晶體射頻開關器件的製備方法，包括步驟如 下：
[0020] 步驟一：在GaAs襯底層上依次外延生長AlGaAs緩衝層、InGaAs導電溝道層、 InGaP 勢魚層、GaAs 帽層和 InGaAs 帽層，形成 AlGaAs/InGaAs/InGaP/GaAs/InGaAs 的臺面。
[0021] 步驟二：臺面隔離。先勻膠光刻保護臺面，之後首先採用1^04:!120 2:!120 = 3:1:50 腐蝕液腐蝕InGaAs和GaAs帽層，然後採用H3P0 4:HC1 = 4:1腐蝕液腐蝕InGaP勢壘層，最 後再次用Η3Ρ04:Η20 2:Η20 = 3:1:50腐蝕液腐蝕InGaAs導電溝道層，形成臺面。
[0022] 步驟三：源漏金屬歐姆接觸。勻膠光刻後，採用電子束蒸發臺蒸發Ni/Ge/Au/Ge/ Ni/Au源漏金屬，在N2氣氛下，300度快速退火50秒，形成源漏歐姆接觸。
[0023] 步驟四：柵槽定義。利用等離子體增強化學氣相沉積（PECVD)技術生長Si02作為 柵槽腐蝕掩膜層。勻膠光刻後，採用電感耦合等離子體刻蝕（ICP)技術利用0匕氣體刻蝕 Si02，利用C6H807:H20 2:H20 = 3:1:50腐蝕液腐蝕InGaAs和GaAs帽層，形成柵槽。
[0024] 步驟五：澱積柵介質及柵金屬。採用原子層澱積設備（ALD)澱積10nm A1203作為 柵介質。光刻勻膠，電子束蒸發金屬Ni/Au作為柵金屬。
[0025] 步驟六：柵端接入大電阻。勻膠光刻，濺射50nm TaN作為柵端接入的薄膜大電阻， 在N2氣氛下，300度快速退火30s合金。
[0026] 步驟七：經過上面步驟之後，金屬氧化物半導體場效應電晶體流片如圖2所示，圖 中左右柵端焊盤（PAD)之間連接薄膜電阻形成射頻開關器件的控制端。上下兩個源漏焊盤 (PAD)，一個形成射頻開關器件的發射端，另一個形成射頻開關器件的接收端。
[0027] 所述射頻開關器件功率容量可由下述公式算得：
[0028] (開啟狀態）（1)
[0029] Pmax = 2 (Vcmax_Vth) 2/ZQ (關斷狀態）（2)
[0030] vcmax = -(VBR+Vth)/2 (3)
[0031] 其中，IDSS為飽和電流，VBR為反向擊穿電壓，Vth為閾值電壓，Ζα為特徵阻抗，一般 取50 Ω。開啟狀態最大工作功率為射頻開關器件的正向功率容量，關斷狀態最大工作功率 為射頻開關器件的反向功率容量。
[0032] 如圖4所示，所述射頻開關器件跨導最高達到369mS/mm,飽和電流密度達到 250mA/mm。所述射頻開關器件正向功率容量由式（1)計算得533mW/mm。
[0033] 如圖5所示，所述射頻開關器件在柵電壓-8V?7V範圍內柵漏電小於IX ΙΟΛιΑ/ mm，優於相同條件下pHEMT器件3-5個數量級。如圖6所示，反向擊穿電壓為-11V，閾值電 壓為-0. 5V，所述反向功率容量由式（2)和（3)計算得3667mW/mm。所述射頻開關擁有較大 的動態範圍，其範圍為-11V?8V。
[0034] 如圖7所示，所述射頻開關器件最低插入損耗達到0. 54dB，0?4GHz頻率範圍插 入損耗小於ldB。所述射頻開關器件最高隔離度達到54dB，0?6GHz頻率範圍隔離度大於 10dB。
[0035] 上述實施例為本實用新型的較佳實施方式，但本實用新型實施方式並不受上述實 施例的限制，其他的任何未背離本實用新型的精神實質與原理下所作的改變、修飾、替代、 組合、簡化，均應等效的替換方式，都包含在本實用新型保護範圍內。
【權利要求】
1. 金屬氧化物半導體場效應電晶體射頻開關器件，所述射頻開關器件由金屬氧化物半 導體場效應電晶體構成，其特徵在於： 上述金屬氧化物半導體場效應電晶體包括GaAs襯底層、AlGaAs緩衝層、InGaAs導電溝 道層、InGaP勢魚層、GaAs帽層、InGaAs帽層、A1203介質、柵端、漏端和源端；其中GaAs襯底 層、AlGaAs緩衝層、InGaAs導電溝道層、InGaP勢魚層、GaAs帽層、InGaAs帽層自下而上依 次設置；漏端和源端設置在InGaAs帽層的上方；位於頂部的GaAs帽層和InGaAs帽層內開 設有柵槽，柵端嵌設在該柵槽內；A1 203介質填充在柵槽內，並作為柵介質與InGaP勢壘層接 觸； 上述金屬氧化物半導體場效應電晶體的柵端接入一薄膜電阻後，作為射頻開關器件的 控制端；金屬氧化物半導體場效應電晶體的源端和漏端中的一個作為射頻開關器件的發射 端，另一個作為射頻開關器件的接收端。
2. 根據權利要求1所述的金屬氧化物半導體場效應電晶體射頻開關器件，其特徵在 於：所述InGaAs導電溝道層和InGaP勢壘層之間設有Si摻雜層。
3. 根據權利要求1所述的金屬氧化物半導體場效應電晶體射頻開關器件，其特徵在 於：所述柵端呈T型。
4. 根據權利要求1或2所述的金屬氧化物半導體場效應電晶體射頻開關器件，其特徵 在於：所述薄膜電阻的阻值範圍為5ΚΩ?10ΚΩ。
【文檔編號】H01L29/26GK203910812SQ201420336813
【公開日】2014年10月29日 申請日期:2014年6月23日 優先權日:2014年6月23日
【發明者】李海鷗, 周佳輝, 閉斌雙, 林子曾 申請人:桂林電子科技大學